基于数值仿真的地连墙复合锚碇基础力学研究

高 骏 刘红胜 胡振伟 张红玉

(1.保利长大工程有限公司 广州 510000; 2.武昌首义学院城市建设学院 武汉 430064)

地下连续墙结构广泛应用在桥梁工程中,其通常作为桥梁锚碇工程中的基坑支护结构和基础承重结构,尤其对于某些悬索桥来说,其锚碇工程大量运用了地下连续墙复合锚碇基础[1-4]。锚碇基础类型通常有扩大基础、地下连续墙、沉井基础和桩基础等多种形式,悬索桥的锚固方式主要是地锚与自锚2种形式,地锚方式在悬索桥施工过程中被广泛采用。地下连续墙锚碇基础通常有3种结构形式[5-7]:圆形地下连续墙锚碇基础、矩形地下连续墙锚碇基础,以及分体井筒式地连墙复合锚碇基础。其中,分体井筒式地连墙复合锚碇基础结构是近几年新兴的锚碇基础形式,其结构新颖,受力复杂,需要准确分析锚碇基础周边土体与锚碇结构共同作用下的受力性能。三维数值分析方法能够准确合理地反映分体井筒式地连墙锚碇基础及地基共同作用性质及实际受力状态。本文以西江特大桥清远侧(北)锚碇基础结构为研究对象,建立三维有限元模型,开展相关研究。

1 工程概况

西江特大桥项目是汕头至湛江高速公路清远至云浮段的控制性工程。主桥桥型采用跨径为210 m+738 m双跨吊钢箱梁悬索桥,主桥缆跨布置为300 m+738 m+212 m,主缆采用平行钢丝索股,矢跨比1/9;主梁采用梁高3 m扁平钢箱梁。清远侧锚碇位于西江北岸,简称为北锚碇。北锚碇井筒式地下连续墙复合锚碇基础构造图见图1。

图1 北锚碇井筒式地连墙复合锚碇基础构造图(尺寸单位:mm)

北锚碇基础部分采用矩形井筒地下连续墙基础,单个井筒平面尺寸为42 m×18.6 m,内外墙厚度均为1.2 m,通过内部、横纵隔墙分成8个隔舱,隔舱净距顺桥向为7.5 m,横桥向为9 m。顺桥向2个井筒在顶部通过厚度为6.5 m,平面尺寸采用53.5 m×45.2 m矩形刚性承台连接,为提供较大的竖向和水平承载力,井筒底部嵌入中风化花岗岩 3 m以上。基础顶标高16 m,基础底标高为-21.2～-37.3 m。

北锚碇井筒式地连墙复合锚碇基础的锚体及支墩采用分离式空心格构式结构,锚体高36.2 m,散索鞍支墩在除底部和顶部设置实心段外,其余采用空腹断面,断面尺寸为8 m×10 m,前锚室侧墙、底板厚度为1 m,顶板、前墙厚度0.8 m,单个锚体横向宽度16 m,后锚体后悬出基础5 m,采用分层铺设钢筋浇筑混凝土的方式以满足后悬锚体的受力需要。锚体、支墩、前锚室、顶板采用C30混凝土,墙身采用C35水下混凝土。

2 有限元模型

2.1 模型建立

采用大型有限元软件FLAC3D对北锚碇基础进行建模计算。为更好地模拟分体井筒式地连墙锚碇基础与地基土的共同作用,采用实体单元建模。按照设计尺寸及地质资料建立的三维有限差分网格模型共包含80 416个节点,68 825个单元。为得到较为合理的模拟结果,对锚碇结构及井筒式地连墙基础的网格进行加密剖分,锚碇共包含17 884 个节点,7 905个单元。北锚碇网格模型图见图2。

图2 北锚碇井筒式地连墙复合锚碇基础网格模型图

三维仿真模型X轴沿锚碇中心线方向,顺桥向长度取锚碇前、后共约280 m范围,Z轴方向为横桥向,长度取锚碇中心线左、右共150 m范围,Y轴方向竖直朝上,取地面以下82 m深度,包括中风化岩层深度30 m。有限元模型的边界约束条件为截断面及模型底面结点为三向约束。

按照钻孔资料,数值分析中地层共分为粉土、砾砂、中密粉砂、强风化花岗岩、中风化岩层等土层,土体采用摩尔-库仑模型,锚碇结构、地连墙及顶板采用线弹性模型,地连墙与土体之间设置无厚度的接触面单元,接触面本构关系也采用摩尔-库仑模型,接触面抗剪强度参数取周边土体的70%,接触面的法向和切向刚度按式(1)～(3)计算。

kn=ks=10·max[(K+4G/3)/Δzmin]

(1)

k=E/[3·(1-2υ)]

(2)

G=E/[2·(1+υ)]

(3)

式中:kn为桩土界面法向弹簧刚度;ks为桩土界面切向弹簧刚度;K为桩周土体体积模量;G为桩周土体剪切模量;υ为土体的泊松比;Δzmin为桩周土体网格划分的最小单元尺寸。

2.2 材料参数取值

根据地层的分析,选取最不利地层条件(14号孔)进行计算,其土层及参数取值见表1。

3 计算结果分析

3.1 地连墙复合锚碇基础位移和沉降

北锚碇及地连墙在施工阶段(锚体施工完成)、运营阶段(缆力施加完成)的水平位移及沉降云图见图3。

由图3a)、b)可见,施工阶段锚碇水平位移在-20～-37 mm之间,运营阶段水平位移在7～10 mm之间。施工阶段地连墙水平位移在6.9～-15 mm之间,运营阶段地连墙水平位移在4.9～10.2 mm之间。

由图3c)、d)可见,施工阶段锚碇竖向沉降在-37(前趾)～-63 mm(后趾)之间,运营阶段锚碇竖向沉降在-46(前趾)～-49 mm(后趾)范围。施工阶段地连墙竖向沉降在-32(前趾)～-60 mm(后趾)范围,运营阶段地连墙竖向沉降在-44(前趾)～-48 mm(后趾)范围。

图3 北锚碇地连墙复合锚碇基础位移与沉降云图(单位:m)

3.2 地连墙复合锚碇基础应力分布

井筒式地连墙复合锚碇基础的最大主拉应力、最大主压应力和最大剪应力的分布图见图4。由图4a)、b)可见,施工和运营阶段的最大主拉应力分别为0.7,0.94 MPa,均出现在顶板跨中底部;由图c)、d)可见,施工和运营阶段的最大主压应力分别为3.65,3.67 MPa,分别出现在地连墙(后趾)和地连墙(前趾)顶面以下4～10 m范围的角点部位。由图4e)、f)可见,施工和运营阶段的最大主剪应力分别为1.75,1.76 MPa,分别出现在地连墙(后趾)和地连墙(前趾)顶面以下4～10 m范围的角点部位。以上应力均满足混凝土受力要求。

图4 北锚碇地连墙复合锚碇基础应力分布云图(单位:Pa)

3.3 北锚碇地连墙土压力分布

3.3.1地连墙外墙水平向土压力分布

地连墙外墙所受的水平向土压力分布云图见图5。由图5a)可见,土压力随着深度的增加逐渐增加,由于后锚区质量在施工阶段较大,土压力表现为后趾墙体所受土压力大于前趾;由图5b)可见,运营阶段前趾区前墙土压力大于后趾区前墙的土压力,这说明在水平缆力作用下,前趾地连墙对后趾地连墙土压力有一定程度的影响。在交界面一定深度范围内,模量相差较大土层的土压力迅速增加,土压力作用深度的迅速增加与荷载水平(位移发挥)及地层条件有关,施工阶段发生在3-1砂质黏性土与4-1全风化花岗岩交界区(后61趾前墙处土压力最大值为298 kPa),运营阶段发生在3-1砂质黏性土与4-1全风化花岗岩交界区(前趾前墙处土压力最大值为290 kPa)。

图5 北锚碇井筒式地连墙水平向土压力分布云图(单位:Pa)

3.3.2地连墙内墙土芯土压力分布

前、后墙内土芯在施工和运营阶段对墙体的水平土压力分布云图见图6。

由图6a)、b)可见,施工阶段前、后墙内土芯对墙体作用土压力分布规律基本相等,最大值为后趾处的298 kPa略大于前锚区处的275 kPa。由图6c)、d)可见,运营阶段受水平缆力作用,前、后墙体发生一定的水平位移,后墙土芯对墙体产生的最大水平土压力288 kPa,略大于前墙土芯的280 kPa。土芯对墙体产生的土压力值最大区域位于3-1砂质黏性土与4-1全风化花岗岩交界区。

3.4 北锚碇地连墙墙底水平剪力分布

北锚碇地连墙墙底水平剪力分布云图见图7。由图7a)可见,施工阶段后趾区墙底部剪应力为12～1 034 kPa、前趾区为12～600 kPa;由图7b)可见,运营阶段后趾区墙底部剪应力为39～1 302 kPa、前趾区为39～625 kPa。前、后趾墙底水平剪力分布规律基本一致,剪应力分布不均匀,角点区域最大,中心处最小,由于墙底未落在中风化岩层,角点处的应力集中较为严重。

图7 北锚碇地连墙底部水平向剪力分布云图(单位:Pa)

3.5 北锚碇地连墙墙体侧摩阻力分布

3.5.1地连墙外墙侧摩阻力分布

地连墙外墙所受的侧摩阻力分布云图见图8。由图8可见,侧摩阻力沿深度增加,且分布不均匀。

图8 北锚碇地连墙外墙侧摩阻力分布云图(单位:Pa)

由图8a)、b)可见,施工阶段侧摩阻力呈后趾墙体大于前趾,运营阶段前趾区前墙侧摩阻力大于后趾区前墙的侧摩阻力。在模量相差较大土层的交界面及角点位置,侧摩阻力的应力集中现象明显,施工和运营阶段的最大值均位于3-1砂质黏性土与4-1全风化花岗岩层交界区。侧摩阻力发挥与墙、土相对位移及土的抗剪强度指标有关,由图8a)可见,施工阶段基底以下标高9.5～-20 m范围内(主要为粉质黏土和砂质黏性土)侧摩阻力仅为0～20 kPa、标高-20～-28 m范围内(主要为全风化岩层)侧摩阻力增加为20～92 kPa,嵌入中风化岩以下一定深度后,侧摩阻力又大幅降低。同时外圈外墙发挥程度较内部外墙发挥充分。

3.5.2地连墙墙内土芯对地连墙侧摩阻力分布影响

前、后墙内土芯在施工和运营阶段对墙体的侧摩阻力分布影响云图见图9。

图9 地连墙墙内土芯对地连墙侧摩阻力分布影响云图(单位:Pa)

由图9a)、b)可见,施工期前、后墙内土芯对墙体的侧摩阻力分布影响规律基本相等,呈土芯周圈大、中间小,竖向下部大、上部小的分布规律,侧摩阻力前、后趾最大值分别为71.6,77.8 kPa。由图9c)、d)可见,运营期分布规律与施工期类似,最大值分布为72,73 kPa,同一高度不同水平位置的侧摩阻力分布有很大差别。土芯对墙体产生的侧摩阻力值最大区域位于3-1砂质黏性土与4-1全风化花岗岩交界区。

4 结语

1) 本研究结合清云高速公路西江特大桥工程,利用有限元软件FLAC3D对西江特大桥北锚碇基础进行三维仿真建模,针对最不利地形条件下的分体井筒式地连墙复合锚碇基础进行沉降、位移、应力变形、土压力和摩阻力等方面的分析计算。计算结果满足规范要求。

2) 在最不利地层条件下,施工阶段的锚碇及地连墙位移范围较大,但是在运营阶段锚碇及地连墙的位移范围较小。

3) 施工和运营阶段的锚碇基础最大主拉应力均出现在顶板跨中底部;最大主压应力分别出现在地连墙(后趾)和地连墙(前趾)顶面以下4～10 m范围的角点部位;最大主剪应力分别出现在地连墙(后趾)和地连墙(前趾)顶面以下4～10 m范围的角点部位。

4) 在交界面一定深度范围内,模量相差较大土层的土压力迅速增加,土压力作用深度的迅速增加与荷载水平(位移发挥)及地层条件有关,施工阶段发生在3-1砂质黏性土与4-1全风化花岗岩交界区(后61趾前墙处土压力最大值为298 kPa),运营阶段发生在3-1砂质黏性土与4-1全风化花岗岩交界区(前趾前墙处土压力最大值为290 kPa)。